Implementación de un prototipo de gafas y bastón electrónico creando una red inalámbrica de comunicación y alerta para personas con discapacidad visual

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(1)ESCUELA SUPERIOR POLITÉCNICA DE CHIMBORAZO FACULTAD DE INFORMÁTICA Y ELECTRÓNICA ESCUELA DE INGENIERÍA EN ELECTRÓNICA, TELECOMUNICACIONES Y REDES. “IMPLEMENTACIÓN DE UN PROTOTIPO DE GAFAS Y BASTÓN ELECTRÓNICO CREANDO UNA RED INALÁMBRICA DE COMUNICACIÓN Y ALERTA PARA PERSONAS CON DISCAPACIDAD VISUAL”. TRABAJO DE TITULACIÓN TIPO: PROPUESTA TECNOLÓGICA. Presentado para optar al grado académico de:. INGENIERA EN ELECTRÓNICA, TELECOMUNICACIONES Y REDES. AUTORA: MARIANA ELIZABETH CALDERÓN RUIZ TUTOR: ING. JOSÉ LUIS MORALES GORDON Riobamba – Ecuador 2019.

(2) ©2019, Mariana Elizabeth Calderón Ruiz. Se autoriza la reproducción total o parcial, con fines académicos, por cualquier medio o procedimiento, incluyendo la cita bibliográfica del documento, siempre y cuando se reconozca el Derecho de Autor.. ii.

(3) ESCUELA SUPERIOR POLITÉCNICA DE CHIMBORAZO. FACULTAD DE INFORMÁTICA Y ELECTRÓNICA. ESCUELA DE INGENIERÍA EN ELECTRÓNICA, TELECOMUNICACIONES Y REDES El Tribunal del Trabajo de Titulación certifica que: la investigación: “IMPLEMENTACIÓN DE UN PROTOTIPO DE GAFAS Y BASTÓN ELECTRÓNICO CREANDO UNA RED INALÁMBRICA. DE. COMUNICACIÓN. Y. ALERTA. PARA. PERSONAS. CON. DISCAPACIDAD VISUAL”, de responsabilidad de la señorita Mariana Elizabeth Calderón Ruiz, ha sido minuciosamente revisado por los Miembros del Tribunal del Trabajo de Titulación, quedando autorizada su presentación.. NOMBRE. FIRMA. FECHA. __________________. __________________. __________________. __________________. __________________. __________________. __________________. __________________. Ing. Washington Luna DECANO DE LA FACULTAD DE INFORMÁTICA Y ELECTRÓNICA. Ing. Patricio Romero DIRECTOR ESCUELA DE INGENIERÍA EN ELECTRÓNICA, TELECOMUNICACIONES Y REDES. Ing. José Luis Morales DIRECTOR DE TRABAJO DE TITULACIÓN. Ing. José Guerra MIEMBRO DEL TRIBUNAL. iii.

(4) Yo, Mariana Elizabeth Calderón Ruiz soy responsable de las ideas, doctrinas y resultados expuestos en este Proyecto de Titulación y el patrimonio intelectual del Proyecto de Titulación pertenece a la Escuela Superior Politécnica de Chimborazo.. Mariana Elizabeth Calderón Ruiz. iv.

(5) DEDICATORIA. A mis padres Ángel y María por haberme forjado y convertido en la persona de hoy en día, por ser ese pilar fundamental para superar aquellos momentos difíciles, por el ejemplo de superación y trabajo, por estar ahí con palabras de aliento y apoyo en cada objetivo y anhelo, pero sobre todo por los retos incomprensibles durante todo este tiempo que sólo ahora los comprendo y agradezco.. A mis hermanos Carlos y Yessenia por ser ese apoyo constante y verdadero, porque a pesar de nuestras múltiples diferencias junto a mis padres siempre serán lo más importante en mi vida, por la confianza y ejemplo para que una derrota sólo sea una excusa para superarse cada día.. Mariana. v.

(6) AGRADECIMIENTO. A mi padre celestial, por todas aquella Bendiciones derramadas durante todo este camino, por la salud y fortaleza para seguir adelante pese a las difíciles pruebas de vida, por nunca abandonarme.. A mi familia por los momentos de comprensión y apoyo, por su motivación para fijarme nuevos objetivos, en especial a mis padres que nunca permitieron que mis miedos sean más fuertes que mis ideales, por su fuerte carácter que evitó tomar un camino equivocado, gracias por ser ese motivo principal para culminar este gran reto.. A mis amigos, por ser mis compañeros de vida y aquella familia que uno escoge, quienes a cambio de nada siempre estuvieron en los momentos difíciles, compartieron alegrías y brindaron conocimientos.. A los docentes de la Escuela Superior Politécnica de Chimborazo por impartir sus conocimientos y experiencias, en especial al Ing. José Luis Morales e Ing. José Guerra por la paciencia y apoyo constante durante todo este tiempo.. A todas aquellas personas que de una u otra manera formaron parte de mi vida en este largo camino.. Mariana. vi.

(7) TABLA DE CONTENIDO. RESUMEN ..............................................................................................................................xiv ABSTRACT .............................................................................................................................. xv INTRODUCCIÓN .....................................................................................................................1 CAPITULO I 1.. MARCO TEÓRICO ......................................................................................................6 Discapacidad Visual ......................................................................................................6. 1.1.1. Registro estadístico de discapacidad visual a nivel mundial ..........................................7. 1.1.2. Registro estadístico de discapacidad visual en el Ecuador ............................................7 Sistemas de Ayuda Comerciales para personas invidentes. .......................................8. 1.2.1. Bastón Blanco.................................................................................................................8. 1.2.2. Perro Guía ......................................................................................................................9. 1.2.3. Gafas Electrónicas........................................................................................................10. 1.2.4. Proyecto Hand Eyes......................................................................................................10. 1.2.5. Análisis de los sistemas comerciales ............................................................................11. 1.2.6. Software para personas con discapacidad visual .........................................................11 Redes de sensores Inalámbricas WSN .......................................................................12. 1.3.1. Topología de redes. .......................................................................................................13. 1.3.2. Análisis comparativo de las topologías de red..............................................................15 Tecnologías de comunicación inalámbrica ................................................................16. 1.4.1. Zigbee............................................................................................................................16. 1.4.2. Bluetooth.......................................................................................................................17. 1.4.4. WiFi ..............................................................................................................................17. 1.4.5. GSM ..............................................................................................................................17. 1.4.6. Análisis comparativo de las diferentes tecnologías ......................................................18 Tarjetas de desarrollo .................................................................................................19. 1.5.1. Análisis comparativo de las tarjetas de desarrollo .......................................................21. CAPITULO II 2.. MARCO METODOLÓGICO .................................................................................... 22 Requerimientos del prototipo BGE ............................................................................22 Diseño del prototipo BGE ...........................................................................................22. 2.2.1. Concepción del prototipo BGE ...................................................................................23. 2.3.1. Módulo actuador ..........................................................................................................23. 2.3.2. Módulo receptor............................................................................................................24 vii.

(8) 2.3.3. Módulo de alerta ...........................................................................................................25. 2.5. Selección del hardware que conforma el prototipo BGE...........................................25. 2.5.1. Tarjetas de desarrollo ...................................................................................................26. 2.5.2. Módulo Bluetooth HC-05 .............................................................................................28. 2.5.3. Sensor Ultrasónico HC-SR04.......................................................................................29. 2.5.4. Módulo de Radiofrecuencia 433 MHz ..........................................................................30. 2.5.5. Motor de vibración .......................................................................................................31. 2.5.6. Batería externa Power bank .........................................................................................32. 2.6. Esquema de conexión del módulo BGE .....................................................................32. 2.7. Diseño del software del prototipo BGE ......................................................................35. 2.7.1. Requerimientos del software ........................................................................................35. 2.7.3. Software del prototipo BGE..........................................................................................37. 2.7.3.1 Descripción del software del módulo actuador .............................................................37 2.7.3.2 Descripción del software del módulo receptor ..............................................................39 2.8. Software para dispositivos móviles ..............................................................................41. CAPITULO III 3.. PRUEBAS Y RESULTADOS ..................................................................................... 44. 3.1. Pruebas de los módulos que conforma el sistema ......................................................44. 3.1.1. Caracterización de los sensores ....................................................................................44. 3.1.1.1 Error Absoluto...............................................................................................................45 3.1.1.2 Estabilidad del prototipo ...............................................................................................46 3.1.2. Caracterización de la Comunicación inalámbrica .......................................................47. 3.1.2.1 Alcance de Comunicación por RF .................................................................................48 3.1.2.2 Alcance de Comunicación por Bluetooth.......................................................................49 3.1.2.3 Conectividad con la aplicación móvil............................................................................51 3.1.3. Pruebas de Alimentación del prototipo BGE ...............................................................51. 3.1.3.1 Consumo de corriente del prototipo ..............................................................................52 3.1.3.2 Prueba de carga y descarga de la batería .....................................................................53 Funcionamiento del prototipo BGE ...........................................................................55 Análisis de costos del prototipo BGE .........................................................................56 CONCLUSIONES .................................................................................................................... 58 RECOMENDACIONES .......................................................................................................... 59 BIBLIOGRAFÍA ANEXOS. viii.

(9) ÍNDICE DE TABLAS. Tabla 1-1: Ventajas y Desventajas de los sistemas comerciales. ...............................................11 Tabla 2-1: Comparación de las diferentes topologías de red. ....................................................15 Tabla 3-1: Análisis comparativo de las tecnologías de comunicación inalámbricas. .................18 Tabla 4-1: Análisis comparativo de características de Arduino y Raspberry Pi. .......................21 Tabla 1-2: Especificaciones técnicas del Arduino Nano ...........................................................26 Tabla 2-2: Especificaciones técnicas del Arduino Uno .............................................................27 Tabla 3-2: Especificaciones importantes del Módulo bluetooth HC-05 ....................................28 Tabla 4-2: Especificaciones técnicas del sensor Ultrasónico HC-SR04 ....................................29 Tabla 5-2: Especificaciones técnicas del módulo de RF 433 MHz...........................................30 Tabla 6-2: Especificaciones técnicas del mini motor de vibración ...........................................31 Tabla 7-2: Especificaciones técnicas de la batería externa .......................................................32 Tabla 1-3: Error Absoluto del sensor ultrasónico ......................................................................45 Tabla 2-3: Estabilidad del prototipo BGE .................................................................................47 Tabla 3-3: Alcance de comunicación RF ..................................................................................48 Tabla 4-3: Calidad de la señal de la comunicación bluetooth ....................................................50 Tabla 5-3: Consumo de corriente del prototipo BGE ................................................................52 Tabla 6-3: Costo final del prototipo BGE implementado. .........................................................56. ix.

(10) ÍNDICE DE FIGURAS. Figura 1-1: Bastón Blanco .........................................................................................................9 Figura 2-1: Perro guía o lazarillo adiestrado para invidentes. .....................................................9 Figura 3-1: Proyecto Hand Eyes ..............................................................................................10 Figura 4-1: Arquitectura de red WSN .......................................................................................12 Figura 5-1: Topología de red anillo..........................................................................................13 Figura 6-1: Topología de red árbol ...........................................................................................13 Figura 7-1: Topología de red bus ..............................................................................................14 Figura 8-1: Topología de red estrella ........................................................................................14 Figura 9-1: Topología de red malla ...........................................................................................15 Figura 10-1: Arquitectura de la tecnología GSM ......................................................................18 Figura 11-1: Placas Arduino .....................................................................................................20 Figura 12-1: Placa Raspberry Pi ................................................................................................21 Figura 1-2: Concepción del sistema ..........................................................................................23 Figura 2-2: Diagrama de bloques del módulo actuador del sistema. .........................................24 Figura 3-2: Diagrama de bloques del módulo receptor del sistema. ..........................................25 Figura 4-2: Diagrama de bloques del módulo de visualización. ................................................25 Figura 5-2: Arduino Nano .........................................................................................................26 Figura 6-2: Arduino Uno ..........................................................................................................27 Figura 7-2: Módulo bluetooth HC-05 .......................................................................................28 Figura 8-2: Sensor Ultrasónico HC-SR04 .................................................................................29 Figura 9-2: Módulos de Radiofrecuencia 433 Mhz ...................................................................30 Figura 10-2: Mini motor de vibración .......................................................................................31 Figura 11-2: Batería externa Power Bank .................................................................................32 Figura 12-2: Esquema de conexión del módulo actuador. .........................................................33 Figura 13-2: Esquema de conexión del módulo receptor. .........................................................34 Figura 14-2: Interfaz MacroDroid .............................................................................................37 Figura 15-2: Diagrama de flujo del módulo actuador. ..............................................................39 Figura 16-2: Diagrama de flujo del módulo receptor. ...............................................................40 Figura 17-2: Interfaz de la aplicación .......................................................................................41 Figura 18-2: Programación mediante bloques ...........................................................................42 Figura 19-2: Envío de mensaje al contacto seleccionado ..........................................................42 x.

(11) Figura 20-2: Llenar campos para ingresar un nuevo contacto ...................................................43 Figura 1-3: Implementación del prototipo.................................................................................44 Figura 2-3: Valores obtenidos al supervisar los puertos de los módulos del prototipo. .............45 Figura 3-3: Evidencia de una de las pruebas de comunicación por Radiofrecuencia ................48 Figura 4-3: Evidencia de distancia entre módulos.....................................................................49 Figura 5-3: Prueba de comunicación bluetooth entre módulos .................................................50 Figura 6-3: Procedimiento de conexión de Módulo Bluetooth. .................................................51 Figura 7-3: Mensaje recibido y llamada realizada/móvil del voluntario ..................................54 Figura 8-3: Mensaje recibido y ubicación GPS/móvil del voluntario........................................54 Figura 9-3: Funcionamiento final del sistema ...........................................................................55. xi.

(12) ÍNDICE DE ANEXOS. Anexos A: Datasheet Arduino Nano Anexos B: Datasheet Arduino Uno Anexos C: Datasheet Módulo Bluetooth HC-05 Anexos D: Datasheet Sensor Ultrasónico HC-SR04 Anexos E: Datasheet Módulo de Radio Frecuencia (RF) Anexos F: Especificaciones técnicas del mini motor de vibración Anexos G: Datasheet de la batería externa Power Bank Anexos H: Programación MIT APP Inventor 2 Anexos I: Código de Programación en el software Arduino. xii.

(13) ÍNDICE DE ABREVIATURAS. BGE. Bastón y Gafas Electrónicas. BSC. Base Station Controller (Controlador de Estaciones Base). BTS. Base Transceiver Station (Estaciones Base). CO-OP. Marca de productos y servicios. CONADIS. Consejo Nacional para la Igualdad de Discapacidades. DISCAPNET Portal de las personas con Discapacidad D. O. C. E. Discapacitados Otros Ciegos de España. ENNES. Escuela Normal de Especialización del Estado de Sinaloa. GPS. Global Positioning System (Sistema de Posicionamiento Global). GSM. Global System for Mobile Communications (Sistema Global para las Comunicaciones Móbiles). IEEE. Institute of Electrical and Electronics Engineers (Instituto de Ingeniería Eléctrica y Electrónica). IMO. Instituto de Microcirugía Ocular. MSC. Mobile Switching Center (Centro de Conmutación Móvil). OMS. Organización Mundial de la Salud. ONCE. Organización Mundial de Ciegos Españoles. PWM. Pulse Width Modulation (Modulación por Ancho de Pulsos). RF. Radio Frecuencia. Rx. Receptor. Tx. Transmisor. USB. Universal Serial Bus (Bus Universal en Serie). WIFI. Wireless Fidelity (Fidelidad Inalámbrica). WLAN. Wireless Local Area Network (Red Inalámbrica de Área Local). WPAN. Wireless Personal Area Network (Red Inalámbrica de Área Personal). WSN. Wireless Sensor Network (Red de Sensores inalámbricas). xiii.

(14) RESUMEN. Debido a la situación actual que presentan las personas invidentes y a las restricciones que los sistemas con características similares poseen, se implementó un prototipo de gafas y bastón electrónico creando una red inalámbrica de comunicación y alerta (BGE) para personas con discapacidad visual. El prototipo en conjunto permite detectar obstáculos mediante vibraciones y enviar un mensaje de alerta el momento que se presente una emergencia, está compuesto por tres módulos: el módulo actuador que integra un bastón blanco, contiene un sensor ultrasónico para obstáculos frontales inferiores, además se utiliza un Arduino Nano. El módulo receptor formado por tres sensores ultrasónicos que integran unas gafas, dependiendo de la distancia a la que el obstáculo se encuentre con respecto al sensor, la velocidad del motor va aumentando o disminuyendo respectivamente. Finalmente se tiene el módulo de alerta, permite enviar un mensaje de ayuda al número de contacto previamente seleccionado y posteriormente un mensaje con la dirección de sus coordenadas de ubicación. De las pruebas realizadas se determinó que el sistema presenta un error del 5% en mediciones de distancia y una variabilidad de 0.98% lo que determina que el prototipo desarrollado es estable. Al evaluar el costo de implementación se determina que es un 60% menor a sistemas comerciales similares. Se recomienda disminuir el tamaño del prototipo e incorporar a una estructura de gafas, establecer un sistema de alerta auditivo de descarga de batería o estudiar la posibilidad de que el tipo de alimentación sea autosustentable.. Palabras clave: <DISCAPACIDAD VISUAL>, <GAFAS ELECTRÓNICAS>, <BASTÓN ELECTRÓNICO>,. <TELEFONÍA. CELULAR>,. <SISTEMA. <TARJETAS DE PROCESAMIENTO>, <MENSAJE DE ALERTA>. xiv. INALÁMBRICO>,.

(15) ABSTRACT. Due to the current situation presented the blind people and the restrictions that systems with similar characteristics have, a prototype of glasses and electronic stick was implemented creating a wireless communication and alert network (BGE) for people with visual disabilities. The prototype together allows to detect obstacles by vibrations and to send an alert message when an emergency arises, it is composed of three modules: the actuator module that integrates to white cane, contains an ultrasonic sensor for lower frontal obstacle, it is also used an Arduino Nano. The receiver module consists of three ultrasonic sensors that integrate glasses, depending on the distance to which the obstacle is located with respect to the sensor, the speed of the motor increases or decreases respectively. Finally you get the alert module, it allows to send a help message to the contact number previously selected and then a message with the address of its location coordinates. Of the tests carried out, it was determined that the system presents an error of 5% in distance measurements and a variability of 0.98% which determines that the prototype is stable. When evaluating the implementation cost, it is determine that it is 60% less than similar commercial systems. It is recommended to reduce the size of the prototype and incorporate it into a spectacle structure, establish a hearing system for battery discharge or study the possibility that the type of feeding is self-sustaining.. KEYWORDS: <VISUAL DISABILITY>, <ELECTRONIC GLASSES>, < ELECTRONIC CANE>, < CELL PHONE>, < WIRELESS SYSTEM>, < PROCESSING CARDS>, < ALERT MESSAGE>.. xv.

(16) INTRODUCCIÓN. La idea de mejorar el estilo de vida, la seguridad y una mejor comunicación de las personas discapacitadas y centrándose principalmente en la discapacidad visual, es alta. Según la Organización Mundial de la Salud (OMS) más de 1000 millones de personas padecen algún tipo de discapacidad a nivel mundial, lo cual representa aproximadamente el 15% de la población. Este porcentaje va aumentando a medida que la población va envejeciendo e incrementa la prevalencia de enfermedades crónicas (OMS, 2017).. Existen aproximadamente 285 millones de personas con discapacidad visual, es decir, un 3.9% de la población mundial. En el Ecuador según datos presentados por el Consejo Nacional para la Igualdad de Discapacidades (CONADIS) hasta febrero del 2017 existen 49.344 personas registradas con discapacidad visual, que representa un 11,80% de la población total (CONADIS, 2018).. Por otra parte, Incluyeme.com 2013 – 2015 menciona que una persona con discapacidad visual cuenta con el beneficio de acceder al sistema Braille, a bibliotecas parlantes o el acceso a la lectura a través del software Jobs Access With Speech. También tiene a disposición el uso del bastón blanco y los perros guías adiestrados para generar compañía (Copyright , 2013-2014). Si mencionamos las aplicaciones más utilizadas en este ámbito tenemos: Lazzus, KNFB reader y Vizwiz.. El Diario El Telégrafo en noviembre del 2016 cita que tres jóvenes representaron al Ecuador en la tercera edición del concurso latinoamericano History Channel con el dispositivo HandEyes, que permite a las personas con discapacidad visual percibir objetos que se encuentran frente al usuario para evitar algún tipo de accidente (eltelégrafo, 2016b).. En la Universidad Politécnica Salesiana de la Sede Cuenca, se realizó un trabajo de titulación como ayuda a la detección de obstáculos y el reconocimiento de billetes para personas con discapacidad visual, con su objetivo principal que es facilitar el desenvolvimiento de estas personas en el entorno (Guillen peñarreta, Jhonny Paul Vizhñay Aguilar, 2016). Las personas con este tipo de discapacidad buscan la manera de poseer confianza y seguridad de desplazamiento en su entorno, evitar todo tipo de restricciones y discriminación en la población debido a su situación, es por ello que se presenta la propuesta tecnológica basada en sensores inteligentes que facilita su movilidad y alerta en caso de presenciar algún tipo de accidente. 1.

(17) FORMULACIÓN DEL PROBLEMA ¿Cómo Implementar un prototipo de gafas y bastón electrónico creando una red inalámbrica de comunicación y alerta para personas con discapacidad visual?. SISTEMATIZACIÓN DEL PROBLEMA •. ¿Cómo diseñar dispositivos de gafas y bastón electrónico para personas con discapacidad visual mediante el estudio del estado del arte de equipos similares?. •. ¿Cuál es el diseño de una aplicación para teléfonos celulares que permita la comunicación entre la persona con discapacidad visual y voluntarios?. •. ¿Cómo determinar el sistema de telecomunicaciones para la transmisión de datos entre los dispositivos de gafas y bastón electrónico, y las aplicaciones de teléfonos celulares de las personas con discapacidad visual y de los voluntarios?. •. ¿Cuál es el diseño de los nodos de la red y los dispositivos apropiados que cumplen con los requerimientos del prototipo a implementar. •. ¿Las pruebas de laboratorio en ambiente controlado cumplen con las características establecidas en la investigación?. JUSTIFICACIÓN TEÓRICA. Debido a que el porcentaje de personas con discapacidad visual aumenta a medida que las personas envejecen y por ende se incrementa la prevalencia de enfermedades, según datos presentados por la OMS de los 285 millones de personas con discapacidad visual que representa el 3.9% de población mundial, 39 millones (13.68%) son personas que presentan ceguera total y 246 millones (86.32%) presentan baja visión (Organización Mundial de la Salud, 2017). En el Ecuador, existen 49.344 personas registradas con discapacidad visual hasta febrero del presente año, lo cual representa un 11,80% de la población total (CONADIS, 2018). Incluyeme.com 2013 – 2015 menciona que una persona con discapacidad visual cuenta con el beneficio de acceder al sistema Braille, un sistema basado en puntos de relieve que pueden ser leídos a través del tacto. A las bibliotecas parlantes que cuentan con versiones sonoras o el acceso a la lectura a través del software Jobs Access With Speech, programa que es utilizado como un lector de pantalla o para agrandar el tamaño de fuente para personas con disminución visual. El uso del bastón blanco, diseñado para que la persona invidente pueda esquivar obstáculos, detectar veredas y generalmente como identificador, cuenta con una banda elástica para la muñeca que evita que se caiga mientras se utiliza y lleva una parte fluorescente para 2.

(18) lugares con poca luz. Los perros guías adiestrados para generar compañía, a más de esquivar obstáculos son útiles para alcanzar objetos, no pueden identificar los colores del semáforo y se les presenta restricción para el ingreso a ciertos lugares o transporte público (Copyright, 2013-2014).. Existen aplicaciones que brindan una ayuda valorable y beneficiosa en estos casos: Lazzus proporciona información especial del lugar en donde se encuentra como cruces de calle, paso de peatones, escaleras y establecimientos en tiempo real por medio de audios (Lazzus, 2018). KNFB reader una app rápida que con solo al presionar un botón en el celular puede leer cualquier texto que esté en frente con un 99% de exactitud al decodificar las palabras (KNFB Reader, 2018). Vizwiz permite sacar fotos de los objetos no identificados mediante ayuda voluntaria. Pero están diseñadas para una función específica, por lo que necesitarían de varias aplicaciones para su desenvolvimiento diario y exitoso (Asociación D.O.C.E, 2016).. Varios proyectos e investigaciones se han presentado a lo largo de los avances tecnológicos que tienen gran beneficio y utilidad para un mejor desenvolvimiento de las personas con este tipo de discapacidad. Mencionando los más exitosos tenemos el dispositivo HandEyes representado en el concurso latinoamericano History Channel que permite percibir objetos que se encuentran frente al usuario para evitar algún tipo de accidente, pero su función es de sólo detectar obstáculos (eltelégrafo, 2016a). Mientras que el trabajo de titulación realizada en la Universidad Politécnica Salesiana sólo está diseñado para la detección de obstáculos frontales (Guillen peñarreta, Jhonny Paul Vizhñay Aguilar, 2016).. Entonces, por tal motivo la investigación se centra en desarrollar un prototipo de gafas y bastón electrónico creando una red inalámbrica de comunicación y alerta para personas con discapacidad visual. La cual considera su ubicación actual con el fin de incrementar la facilidad de su desenvolvimiento en su entorno y confiabilidad al desempeñarse en su vida diaria. La investigación está acorde a las líneas de investigación establecidas en la Espoch y con el Plan Nacional del Buen Vivir, que en la actualidad se lo conoce como Plan Nacional de Desarrollo, en el objetivo 3 que indica “Mejorar la calidad de vida de la población”, y cumple con la matriz productiva que menciona: incentivar al desarrollo de investigaciones y la producción nacional basado en las capacidades y conocimientos de la población sustentando así el presente trabajo de titulación.. 3.

(19) JUSTIFICACIÓN APLICATIVA. Debido al gran número de personas con discapacidad visual registradas en el CONADIS y con el conocimiento necesario de que el porcentaje de personas aumenta, en esta investigación surge la idea de crear un prototipo de una red inalámbrica de comunicación y alerta para personas con discapacidad visual. Con esto se pretende enviar su ubicación actual con el fin de prestar ayuda en casos de emergencia.. El prototipo está dividido en 3 nodos. El primer nodo principal contiene dos botones que pensando en su facilidad para interactuar están colocados en la parte superior del bastón, al momento de presionarlos envía los datos hacia el segundo nodo. En el segundo nodo es donde se recibe los datos enviados desde el primer nodo. Si se presiona el primer pulsador o botón se activa los sensores de manera simultánea que podrá alertar mediante vibraciones la presencia de obstáculos, lo que le ayuda a tener una protección de su alrededor más confiable.. El tercer nodo recibe información del primer nodo, y cuando se activa el pulsador denominado botón de auxilio envía inmediatamente y de manera automática el mensaje de ayuda a la persona voluntaria o familiar. Permite la comunicación del voluntario con la persona con discapacidad visual el momento que recibe el mensaje de ayuda, si no establece la comunicación recibe un nuevo mensaje de texto con las coordenadas de su ubicación.. El prototipo implementado está basado en sensores inteligentes, cuenta con una topología de red adaptable a las especificaciones propuestas en la investigación con el fin de validar el diseño realizado. Demostrando así los resultados que se busca obtener de acuerdo a la investigación propuesta.. OBJETIVOS. OBJETIVO GENERAL. Implementar un prototipo de gafas y bastón electrónico creando una red inalámbrica de comunicación y alerta para personas con discapacidad visual.. 4.

(20) OBJETIVOS ESPECÍFICOS •. Diseñar dispositivos de gafas y bastón electrónico para personas con discapacidad visual mediante el estudio del estado del arte de equipos similares.. •. Diseñar una aplicación para teléfonos celulares que permita la comunicación entre la persona con discapacidad visual y voluntarios.. •. Determinar el sistema de telecomunicaciones para la transmisión de datos entre los dispositivos de gafas y bastón electrónico, y las aplicaciones de teléfonos celulares de las personas con discapacidad visual y de los voluntarios.. •. Seleccionar el diseño de los nodos de la red y los dispositivos apropiados que cumplen con los requerimientos del prototipo a implementar. •. Realizar pruebas de laboratorio en ambiente controlado para comprobar que el sistema cumpla con las características establecidas en la investigación.. La investigación está basada en la Metodología Orientada a Prototipos (STUDYLIB, 2019). Para lo cual se realizó el diseño del prototipo mediante una revisión bibliográfica del estudio del arte de equipos similares, el uso de la metodología aplicada permitió un conocimiento más amplio de cada sistema tomando cuenta sus ventajas y desventajas. Además, es necesario conocer las necesidades que presenta una persona con Discapacidad Visual y por ende los requerimientos de cada uno. La memoria descriptiva del trabajo de titulación conforma tres capítulos que detallan la temática de manera general, en el primer capítulo se desarrolla el Marco Teórico en el cual se realiza un revisión bibliográfica de los sistemas comerciales, topologías de red, tarjetas de desarrollo y tecnologías inalámbricas, el segundo capítulo hace referencia al Marco Metodológico, en donde se establece los requerimientos del sistema, concepción en general, arquitectura, diagramas y dispositivos electrónico que forman parte, el tercer capítulo describe el análisis y resultados que se obtienen de las pruebas realizadas en ambiente controlado, seguido de sus respectivas conclusiones y recomendaciones.. 5.

(21) CAPITULO I. 1. MARCO TEÓRICO. En el presente capítulo se detalla las causas y un resumen estadístico de las personas que padecen discapacidad visual. Se analiza las ventajas y desventajas que posee cada uno de los sistemas de ayuda que se encuentran en el mercado. Además, se da a conocer las características con las que trabajan los sensores inalámbricos y se realiza una comparación entre diferentes tecnologías, topologías y tarjetas de desarrollo.. Discapacidad Visual. Es una expresión amplia que describe cualquier nivel de deficiencia o pérdida de la visión, que afecta a la persona el momento que desee actuar de manera independiente en su vida cotidiana (AFB, 2018);. Dependiendo de su grado de limitación existen personas con ceguera, que mediante. el canal visual no obtienen ningún tipo de información del medio que los rodea y personas con baja visión, quienes adquieren información significativamente menor a la normal (ENEES, 2016). Al hablar de discapacidad visual utilizan términos como ceguera, déficit visual, baja visión, visión subnormal, débiles de visión, limitaciones visuales, entre otros (EcuRed, 2018a).. Generalmente se define como discapacidad visual moderada o ceguera, razón por la cual a continuación se presenta un detalle de sus respectivas causas acompañado de su porcentaje con respecto al 100%. La OMS menciona que la discapacidad visual moderada o grave se debe a (OMS, 2017a):. •. Un 53% debido a errores de refracción no corregidos.. •. 25% a cataratas no operadas.. •. 4% por degeneración macular relacionada con la edad.. •. 1% retinopatía diabética.. Las principales causas de ceguera son ocasionadas por (OMS, 2017b): •. El 35% a cataratas no operadas.. •. 21% por errores de refracción no corregidos.. •. 8% glaucoma.. 6.

(22) 1.1.1. Registro estadístico de discapacidad visual a nivel mundial. En el gráfico 1-1 se detalla datos estadísticos obtenidos desde la Organización Mundial de la Salud (OMS), en donde indica que 253 millones de personas padecen discapacidad visual a nivel mundial que representa el 3.4% de su población. El 14.22% están identificadas con ceguera total y 85.77% con disminución visual (OMS, 2017).. 14%. 86%. CEGUERA: 36 millones de personas. DISMINUCIÓN VISUAL: 217 millones de personas. Gráfico 1-1: Datos estadísticos de discapacidad visual a nivel mundial obtenido desde la OMS Realizado por: CALDERÓN, Mariana, 2019. 1.1.2. Registro estadístico de discapacidad visual en el Ecuador. En el Ecuador, de acuerdo a los datos presentados por el Consejo Nacional para la igualdad de Discapacidades (CONADIS) hasta el 2 de marzo del 2018, existen 51.850 personas registradas con discapacidad visual, como se muestra en el gráfico 2-1 representa un 11.90% de su población. Según los datos obtenidos se analiza que Guayas es la Provincia que registra mayor cantidad de personas con algún tipo de discapacidad (CONADIS, 2018).. 7.

(23) 1% 12%. 5% 47%. 13% 22%. FÍSICA. INTELECTUAL. AUDITIVA. VISUAL. PSICOLÓGICA. LENGUAJE. Gráfico 2-1: Datos estadísticos de discapacidad visual registrados en CONADIS Ecuador. Realizado por: CALDERÓN, Mariana, 2019. Sistemas de Ayuda Comerciales para personas invidentes.. Se han desarrollado varios sistemas con el objetivo de facilitar su desenvolvimiento con normalidad en su vida diaria por lo cual como los principales tenemos: el sistema Braille ejecutado para la lectura y escritura (El Debate, 2017) (DISCAPNET, 2012); Bibliotecas parlantes utilizado para el acceso a la lectura (El Marplatense, 2017) (Crónica, 2017). Ahora, si nos centramos en su movilidad como punto principal tenemos:. 1.2.1. Bastón Blanco. Se lo utiliza como identificador para su entorno y como función detecta obstáculos en el suelo y vía pública como veredas. Es muy común mirar a nuestro alrededor a las personas que padecen esta discapacidad con un bastón, pero si lo analizamos no es un instrumento seguro porque no detecta obstáculos en la parte superior lo cual le impide prevenir accidentes (Infobae, 2018).. Como se puede observar en la figura 1-1 tiene un extremo de color rojo, diseñado para que se le pueda otorgar prioridad. Su creación se dio debido a que no se podía identificar a las personas que padecían de discapacidad visual y necesitaban ser distinguidos. Unos años después de su creación se decretó que el 15 de octubre se celebraría “El Día Internacional del Bastón Blanco” (tele, 2015).. 8.

(24) Figura 1-1: Bastón Blanco Fuente: (tele, 2015). 1.2.2. Perro Guía. Como se observa en la figura 2-1 son animales adiestrados para generar compañía y ayudan a evitar obstáculos en la vía pública. Además, es muy útil el momento de alcanzar objetos. Actualmente ya no se los utiliza debido a que cuentan con algunas desventajas como la restricción al transporte público, acceso a algunos lugares y no pueden identificar los colores del semáforo lo cual puede ocasionar algún tipo de accidente (Rexpetfood, 2016).. Mientras pasa el tiempo han ido utilizando varios nombres como perro guía, perro de asistencia o lazarillo. En la historia, 4 Pastores alemanes fueron los primeros en ser utilizados por unos veteranos que perdieron la visión por metralla en la Segunda Guerra Mundial (Marimar, 2016). La Fundación ONCE es quien forma a estos animales mediante un exigente entrenamiento durante 2 años desde su nacimiento, y tardan hasta 3 años en ser entregado a la persona que lo solicite debido a la numerosa lista de espera (Ríos, 2015).. Figura 2-1: Perro guía o lazarillo adiestrado para invidentes. Fuente: (Rexpetfood, 2016). 9.

(25) 1.2.3. Gafas Electrónicas. Utilizadas por las personas que padecen discapacidad visual, cuentan con un visor el cual actúa como una lupa y le ayuda a que pueda leer y contar con un desenvolvimiento independiente. En cambio, para una persona con ceguera tiene sensores que le servirá detectar obstáculos en la parte superior como árboles, ramas, entre otros. Se puede usar en conjunto con el bastón blanco para una mejor independencia (Radio, 2017).. El Instituto de Microcirugía Ocular (IMO) fueron los pioneros en ofrecer a sus pacientes unas gafas electrónicas para su uso de las personas con baja visión. Éste dispositivo lleva incorporado una cámara HD con finalidad de capturar imágenes en tiempo real, presenta como propiedad ajustar el enfoque de manera automática, permite acercar y alejar la visión dependiendo de la necesidad que presente el usuario (Fundación IOM, 2015).. 1.2.4. Proyecto Hand Eyes. Es uno de los proyectos más importantes del Ecuador ya que es el ganador del concurso Latinoamericano Histoy Channel en el 2016. Como se observa en la figura 3-1 es un pequeño dispositivo que puede ser ubicado en el bastón o alguna parte del cuerpo, tiene como función identificar obstáculos, los cuales son transmitidos a través de vibraciones y sonidos. Esto hace que el usuario pueda imaginarse un mapa de su entorno y con mayor facilidad pueda actuar ante cualquier peligro o accidente (El Comercio, 2016).. Figura 3-1: Proyecto Hand Eyes Fuente: (eltelégrafo, 2016b). 10.

(26) 1.2.5. Análisis de los sistemas comerciales. En la tabla 1-1 se detalla las ventajas y desventajas que presentan los sistemas que se encuentran en el mercado.. Tabla 1-1: Ventajas y Desventajas de los sistemas comerciales. Ventajas Bastón Blanco. Perro Guía. Desventajas. Identificador.. No. Esquiva obstáculos.. superiores como ramas.. Esquiva obstáculos.. y transporte púbico.. Genera compañía.. Proyecto Hand Eyes. obstáculos. Restringido a ciertos lugares. Alcanza objetos.. Gafas Electrónicas. detecta. Detecta obstáculos.. No detecta obstáculos en el. Seguridad superior.. piso como veredas.. Percibe. objetos. que. se. encuentran frente al usuario.. Sólo detecta obstáculos.. Realizado por: CALDERÓN, Mariana, 2019. De acuerdo a la información presentada en la tabla 1-1 los proyectos desarrollados para facilitar el desenvolvimiento diario de las personas que padecen discapacidad visual son varios, presentan diferentes ventajas, pero su principal inconveniente en la actualidad se debe a las restricciones que evita sean de gran utilidad como en su momento de creación, son de alto costo y se desconoce la existencia de los mismos en la ciudad, razón por la cual se desarrolla el prototipo BGE.. 1.2.6. Software para personas con discapacidad visual. Existe aplicaciones que favorece y beneficia sus actividades diarias, como las más comunes y principales tenemos: •. Lazzus aquella que brinda información del cruce de calles, gradas, paso de peatones y en general del lugar en el que se encuentra en ese momento, información proporcionada mediante audio (Lazzus, 2018).. •. KNFB reader permite leer cualquier texto y presenta un 99% de exactitud al momento de decodificar las palabras, es una aplicación rápida que funciona con tan solo presionar un botón del teléfono móvil (KNFB Reader, 2018).. 11.

(27) •. Vizwiz permite identificar objetos mediante ayuda voluntaria. La idea es subir a la red una foto del objeto no identificado en conjunto con una pregunta de voz y esperar respuesta de las personas (Asociación D.O.C.E, 2016).. A pesar de que estas herramientas software son de gran utilidad para la vida de un invidente sólo realizan una función específica, pierde confiabilidad el momento de usarlas. Para lo cual se ve la necesidad de estudiar las redes de sensores Inalámbricas.. Redes de sensores Inalámbricas WSN. Wireless Sensor Network (WSN, por sus siglas en inglés) son dispositivos bajos en consumo y costo, que obtiene información, la procesa y posteriormente la comunica hasta el nodo central que lo coordina mediante enlaces inalámbricos. Son redes en las cuales no interviene el ser humano, por lo que presenta alta probabilidad de que exista fallo en cualquier momento (Network, 2015).. Está compuesto por un grupo de sensores llamados nodos sensores que están. conectados a una estación base mediante un Gateway como se puede apreciar en la figura 4-1. En donde la estación base es quien almacena todos los datos utilizados para la comunicación.. Figura 4-1: Arquitectura de red WSN Realizado por: CALDERÓN, Mariana, 2019. A continuación, se detallan cada uno de los elementos que conforma una arquitectura de red de sensores inalámbricos: Estación base, Gateway y Nodo sensores (Montes, 2012): •. Estación base: Generalmente conocido como recolector de datos, es donde se almacena la información útil en la comunicación.. •. Gateway: presenta elementos necesarios para realizar la conexión entre los nodos sensores y una red TCP/IP.. •. Nodos sensores: Envía la información mediante un Gateway a la estación base, los datos recogidos desde los sensores. 12.

(28) 1.3.1. Topología de redes.. Una red informática que forma la conexión de varias computadoras para intercambiar información entre sí. Define un diseño físico que es la disposición de los cables de forma real, y de manera lógica cómo los datos viajan para generar comunicación (CCM, 2018).. Anillo: Una topología simple, las computadoras están conectadas en forma de un anillo o círculo, la información se transmite en un solo sentido como se aprecia en la figura 5-1, si un nodo presenta algún problema o falla toda la red cae y deja de funcionar. Se le considera una topología poco eficaz (CCM, 2018).. Figura 5-1: Topología de red anillo Realizado por: CALDERÓN, Mariana, 2019. Árbol: Su conexión está expuesta en forma de un árbol como se muestra en la figura 6-1, conectados una punta con una base. Si un nodo tiene una falla no presenta problema en los siguientes nodos, por lo que la información no se perdería completamente. El cable que lleva la información a todos los nodos toma el nombre de Backbone (CCM, 2018).. Figura 6-1: Topología de red árbol Realizado por: CALDERÓN, Mariana, 2019. 13.

(29) Bus: Una manera simple de organizar la red, Todas las computadoras están conectadas a una misma línea de transmisión, se aprecia en la figura 7-1; como ventaja presenta facilidad de implementación y funcionamiento, pero es vulnerable, si falla una conexión afecta a toda la red (CCM, 2018).. Figura 7-1: Topología de red bus Realizado por: CALDERÓN, Mariana, 2019. Estrella: Como se observa en la figura 8-1 presenta un nodo central, el mismo que transmite información a todos los demás nodos. Si éste falla toda la red se desconecta y deja de funcionar, como ventaja permite que los nodos se conecten de manera conveniente (CCM, 2018).. Figura 8-1: Topología de red estrella Realizado por: CALDERÓN, Mariana, 2019. Malla: Topología de malla completa. En la figura 9-1 se puede observar que la información puede transmitir por varios enlaces alternativos para que pueda llegar a su destino, si un nodo falla la información no afectar debido a la gran variedad de rutas que presenta (CCM, 2018).. 14.

(30) Figura 9-1: Topología de red malla Realizado por: CALDERÓN, Mariana, 2019. 1.3.2. Análisis comparativo de las topologías de red. En la tabla 2-1 se detalla varias características importantes de las diferentes topologías de redes en modo comparación.. Tabla 2-1: Comparación de las diferentes topologías de red. Topología. Anillo. Estrella. Árbol. Malla. Bus. Transmitir. Soporta gran. Presenta. De acuerdo. Lento. la señal de. cantidad de. interferencias. al medio que. manera. tráfico y. debido a la. se utilice su. lenta.. aumenta según. transmisión. velocidad. los se agregue. de muchos. puede variar.. periféricos.. nodos.. de red. Tráfico. Vínculo. Cableado. Enrutador,. Cableado. Enlace punto. Cableado. requerido.. abundante.. conmutador,. punta a punta.. a punto.. Requiere gran. Mucho. Muy. cantidad de. cableado,. económica.. cableado.. costo alto.. concentrador y cableado. Costo. Económic. Costo alto. o. Facilidad. Fácil, usa. Completamente. Configuració. Difícil. Implementació. de añadir. poco. .. n difícil.. instalación.. n fácil.. equipos.. cableado.. Desventaja. Si un. Si el nodo. El nodo que. Necesita. Tiene un límite. 15.

(31) s. equipo. central falla, la. falla queda. gran. de conexión de. falla, toda. red deja de. aislado.. cantidad de. equipos.. la red deja. funcionar. cable y es. de. totalmente.. difícil. funcionar.. acomodarlos .. Realizado por: CALDERÓN, Mariana, 2019 Fuente: (Cortés, 2015). Con él análisis realizado en la tabla 2-1 se concluye que la topología estrella es la más apropiada para aplicarla en el hardware, si bien es cierto el prototipo a implementar es una conexión punto a punto, pero se deja abierto la posibilidad de que se pueda agregar más módulos de funcionamiento al módulo principal. La topología del software es malla, debido a que se utiliza la tecnología GSM de la telefonía celular y no resulta necesario implementarla.. Tecnologías de comunicación inalámbrica. Comunicación sin cables, los extremos de la comunicación no se encuentran conectados mediante una propagación física, hacen uso de la modulación las ondas electromagnéticas a través de espacio 1.4.1. (Regino, 2014).. Zigbee. Presenta un alto nivel de comunicación, basada en el estándar IEEE 802.15.4 que se utiliza para la radiodifusión digital de datos. Adopta la banda 2.4GHz para comunicarse con el resto de dispositivos, como ventaja tenemos que es sencillo y de bajo coste (Gutiérrez Manuel J., 2015). Por lo que pertenece a redes inalámbricas WPAN tiene menor cobertura. Las topologías que usa ésta tecnología son estrella, árbol y red malla (Glen M y Moreno, 2012). Sistema orientado a la domótica, diseñado específicamente para reemplazar el incremento de sensores y/o actuadores individuales. El coordinador Zigbee es quien controla la ruta que deben seguir para que los dispositivos puedan conectarse. El router interconecta los dispositivos en la topología de red. El dispositivo final se comunica con el nodo principal o padre (Glen M y Moreno, 2012).. 16.

(32) 1.4.2. Bluetooth. Un estándar de enlaces de redes, tiene como funcionalidad que los usuarios puedan conectarse de manera inalámbrica, permitiendo así la transmisión de imagen, voz, video, entre otros. Emite una señal corta de 10 a 15 metros, basada en el estándar 802.15.1 que adopta la banda de los 2.4GHz. Como objetivo principal de esta tecnología fue el reemplazar los infrarrojos. Permite la conexión sin cables de una impresora a un ordenador, unos auriculares a un dispositivo móvil, un mouse, teclado, etc. (Vialfa Carlos, 2013).. 1.4.3. Módulos RF. Son pequeños módulos compuestos por un transmisor y un receptor, generalmente presentan un enlace de datos Simplex que se refiere a la transmisión permitida es en un solo sentido, lo cual resulta muy útiles en proyectos que no necesitan que la comunicación sea bidireccional. Son módulos de fácil conexión a los diferentes microcontroladores y circuitos en general, permitiendo una conexión de radio frecuencia en el menor tiempo posible (Robodacta, 2015).. 1.4.4. WiFi. Tecnología de comunicación de red inalámbrica Wireless Lan Area Network (WLAN por sus siglas en inglés) conecta dispositivos y redes sin la necesidad de utilizar cables de por medio (EcuRed, 2018b).. Basada en el estándar IEEE 802.11a, 802.11b y 802.11g para generar una. conexión que sea fiable, segura y rápida. Presenta una instalación instantánea y establece una gran escalabilidad. Como aplicaciones tenemos que puede conectar varias oficinas o naves y puede acceder a la red empresarial desde cualquier punto que se encuentre (Ibersystems, 2016). 1.4.5. GSM. El Sistema global de comunicaciones móviles se considera como el estándar con mayor uso en Europa a inicios del siglo XXI, denominado como un estándar 2G de segunda generación debido a que las comunicaciones son producidas de manera completamente digital. En donde, el Centro de conmutación móvil Mobile Switching Center (MSC por sus siglas en inglés) se conecta al internet y de igual manera al controlador de estaciones base Base Station Controller (BSC por sus siglas en inglés) que son los que administran la distribución de los recursos. Y, por último, al BSC se conectan todas las estaciones base Base Transceiver Station (BTS por sus siglas en inglés que pertenece a una red celular (Villagómez, 2017).. 17.

(33) En la figura 10-1 se puede observar la arquitectura de cómo trabaja la tecnología GSM. Figura 10-1: Arquitectura de la tecnología GSM Realizado por: CALDERÓN, Mariana, 2019. 1.4.6. Análisis comparativo de las diferentes tecnologías. Una vez realizado un pequeño detalle de cada una de las tecnologías de comunicación inalámbricas, en la tabla 3-1 se desarrolla un análisis comparativo con las características más importantes.. Tabla 3-1: Análisis comparativo de las tecnologías de comunicación inalámbricas. Característica Estándar. Zigbee. Bluetooth. IEEE 802.15.4. IEEE. WiFi IEEE 802.11B. 802.15.1. RF ISO/IEC. GSM WWAN. 14443-2. Alcance. 10-75 m. 10-15 m. 100 m. 20 m. Nivel mundial. Frecuencia de. 2.4 GHz. 2.4 GHz. 5 GHz. 433 MHz. 0.9 GHz. 256 kbps. 721 kbps. 54Mbps. Velocidad. Seguridad. Bajo alcance. operación Velocidad de. -. 9.6 Kb/s. transmisión. Desventajas. Ventajas. Coste, consumo. bajo. Comunicación. Puede existir. simplex. interferencias.. Sustituto del. Velocidad,. Presenta. Representado. cable.. precio. extensibilidad. en 160 países. Realizado por: CALDERÓN, Mariana, 2019. Después del análisis representado en la tabla 3-1, para el envío de datos desde el bastón hacia las gafas se utiliza la tecnología RF debido a que presenta una comunicación simple y la función que cumple es sólo encender los motores; Para que pueda tener acceso el bastón a la aplicación se necesita la comunicación del módulo bluetooth por las especificaciones que éste posee y 18.

(34) finalmente para que se pueda enviar el mensaje al voluntario se lo realiza a través de la telefonía celular y por ende hace uso de la tecnología GSM.. Tarjetas de desarrollo. Son pequeñas tarjetas electrónicas las cuales tienen incluidas un circuito impreso, están diseñadas y/o fabricadas para diferentes aplicaciones dependiendo de las características que se necesita. Además, ofrecen alta compatibilidad con distintos dispositivos electrónicos. Las tarjetas de desarrollo aplicadas en redes de sensores inalámbricos más utilizadas por sus características se detallan: Arduino y Raspberry Pi. •. Arduino. Basada en microcontroladores ATMEL, es un microchip que permite grabar instrucciones mediante un lenguaje de programación en donde el usuario puede interactuar con circuitos electrónicos en base a programas. Cuenta con un convertidor a USB desde un Serial, esto permite que la conexión a la computadora sea sencilla. Los diferentes modelos dependen de las funciones, tamaño, formas y precio con el que lo requieren (García, 2015).. Arduino presenta características como Costo, Disponibilidad y Flexibilidad que se deben tomar en cuenta el momento de elegirlos (García, 2015): •. Costo: El bajo costo es una característica principal que posee Arduino. Cualquier persona con conocimientos y tecnología necesaria está en la capacidad de fabricar placas Arduino debido a su plataforma de hardware libre.. •. Disponibilidad: Con el tiempo se ha incrementado significativamente su presencia en el mercado.. •. Flexibilidad: Son pequeñas placas que pueden ser utilizadas para cualquier aplicación que lo requieran.. En la figura 11-1 se puede observar una placa Arduino que normalmente se la encuentra en el mercado.. 19.

(35) Figura 11-1: Placas Arduino Fuente: CALDERÓN, Mariana, 2019. •. Raspberry Pi. Es una pequeña placa que funciona como una computadora, puede ser conectada a un televisor o teclado. Su tamaño es similar a una tarjeta de crédito. Cuenta con los componentes necesarios que un ordenador normal lo posee. Normalmente es capaz de cumplir con las funciones que realiza una PC de escritorio como procesadores de texto, hojas de cálculo e incluso la aplicación de diferentes juegos (ABCTecnología, 2013).. El mini ordenador como se puede apreciar en la figura 12-1 cuenta con varias entradas y puertos que facilitan conectar los diferentes dispositivos electrónicos, tienen gran capacidad de almacenamiento e incluso mediante una tarjeta SD puede instalar y hacer uso de sistemas operativos libres. Generalmente existen modelos a precios y especificaciones distintas, su uso depende de las características con que lo requieran (ABCTecnología, 2013).. 20.

(36) Figura 12-1: Placa Raspberry Pi Fuente: (Castro, 2014). 1.5.1. Análisis comparativo de las tarjetas de desarrollo. En la tabla 4-1 se resume las dos tarjetas de desarrollo detalladas anteriormente, debido a las características que poseen.. Tabla 4-1: Análisis comparativo de características de Arduino y Raspberry Pi. Características. Arduino. Raspberry Pi. Procesamiento. ATmega328. ARM11. Velocidad reloj. 16 MHz. 700 MHz. Precio. $ 25. $40. Tamaño. 7.6 x 1.9 x 6.4 cm. 8.6 x 5.4 x 1.7 cm. RAM. 2 kB. 256 kB. Puertos USB. 1. 2. Memoria Flash. 32 kB. Tarjeta SD (2 a 16 G). Voltaje de entrada. 7 a 12 V. 5V. Facilidad de integración. Alta. Baja. Realizado por: CALDERÓN, Mariana, 2019 Fuente: (http://hacedores.com) (https://aprendiendoarduino.wordpress.com). Mediante el resumen comparativo visualizado en la tabla 4-1, la tarjeta Arduino resulta la más óptima para usarla en el prototipo, por su costo, compatibilidad con los dispositivos electrónicos y dispone de una plataforma gratuita. 21.

(37) CAPITULO II. 2. MARCO METODOLÓGICO. En este capítulo se especifica los requerimientos establecidos y el diseño del prototipo requerido para el desarrollo del proyecto de titulación propuesto, en donde se elige los componentes dependiendo de las características principales detalladas en el Capítulo I y diagramas de bloque de los diferentes módulos que forman parte del sistema. Además, se detalla su funcionamiento tal que da la solución al problema presentado.. Requerimientos del prototipo BGE. Analizado el estudio realizado en el Capítulo I, se presenta los requerimientos que establece el prototipo para el funcionamiento del software y hardware: •. Diseñar el prototipo de bastón y gafas electrónicas de bajo costo, con materiales fáciles de adquirir.. •. Determinar una red para la transmisión de datos resulte adaptable.. •. Desarrollar una aplicación para teléfonos celulares que establezca una comunicación en cualquier momento.. •. Las gafas deben ser capaces de detectar obstáculos.. •. Los botones colocados en el bastón deben presentar una facilidad para interactuar con el usuario.. •. Las gafas y bastón electrónico deben estar comunicadas inalámbricamente.. •. En caso de emergencia el usuario tiene la capacidad de solicitar ayuda mediante un mensaje de texto.. •. Adaptable a las condiciones personales.. Diseño del prototipo BGE Con el análisis de los requerimientos, a continuación, se presenta el diseño de cada uno de los módulos que conforma el prototipo para su funcionamiento:. 22.

(38) 2.2.1. Concepción del prototipo BGE. En la figura 1-2 se puede observar la concepción general del prototipo BGE, está compuesto por tres módulos: Módulo actuador que conforma el bastón blanco, Módulo receptor representado por las gafas y Módulo de alerta que representa el envío del mensaje de ayuda mediante la aplicación ubicada en el teléfono móvil, los cuales establecen una función diferente.. Figura 1-2: Concepción del sistema Realizado por: CALDERÓN, Mariana, 2019. Arquitectura del prototipo BGE. Mediante el detalle de los diagramas de bloques se representa brevemente el funcionamiento que tiene el módulo Actuador, Receptor y de alerta que conforma el prototipo.. 2.3.1. Módulo actuador. El diagrama de bloques diseñado para el módulo actuador se tiene en la figura 2-2, el mismo que consta de un bloque de alimentación para inicializar su funcionamiento, un bloque de 23.

(39) procesamiento que representa un Arduino nano el cual recibe todos los datos existentes, un bloque de sensores que contiene un sensor ultrasónico usado para la identificación de obstáculos en la parte inferior y frontal, el mismo que recibe vibraciones como respuesta hacia su detección, un bloque de trasmisión que contiene una tarjeta bluetooth para su comunicación con el módulo de alerta y un módulo de Radio frecuencia (RF) para el envío de datos al módulo de recepción y finalmente un bloque de activación, llamado así a la función que cumplen los botones al ser presionados.. Figura 2-2: Diagrama de bloques del módulo actuador del sistema. Realizado por: CALDERÓN, Mariana, 2019. 2.3.2. Módulo receptor. En la figura 3-2 se presenta el diagrama de bloques diseñado para el segundo módulo, el mismo que consta de los diferentes componentes que forman parte. Este módulo actúa dependiendo de la recepción de los datos del módulo actuador que representa le bloque de recepción, la información recibida de cada sensor el momento que identifica un obstáculo envía señales al motor de vibración para su actuación función generada en el bloque de sensores, cuenta con su bloque de alimentación, el bloque de procesamiento tiene una tarjeta de desarrollo Arduino Uno y módulo RF para su recepción de datos.. 24.

(40) Figura 3-2: Diagrama de bloques del módulo receptor del sistema. Realizado por: CALDERÓN, Mariana, 2019. 2.3.3. Módulo de alerta. El diagrama de bloques diseñado para el tercer módulo se tiene en la figura 4-2, el mismo que consta de un bloque de procesamiento representado por el teléfono móvil en el que se encuentra una aplicación que permitirá enviar un mensaje de texto solicitando ayuda a un familiar o voluntario mediante el bloque de transmisión, además posteriormente en el bloque de ubicación podrá enviar sus coordenadas mediante el módulo GPS que posee el mismo. El bloque de recepción permite establecer la comunicación entre el módulo actuador y el teléfono móvil.. Figura 4-2: Diagrama de bloques del módulo de visualización. Realizado por: CALDERÓN, Mariana, 2019. La función del sensor ultrasónico es poder medir tanto distancias largas como cortas, generalmente desde 10 cm a 4.5m.. 2.5 Selección del hardware que conforma el prototipo BGE. A continuación, se detallan los dispositivos que conforma el prototipo de gafas y bastón electrónico para personas con discapacidad visual con algunas características principales que poseen, adicional se presenta sus respectivas hojas técnicas en los Anexos A-G. 25.

(41) 2.5.1. Tarjetas de desarrollo. Para el desarrollo del prototipo se decidió usar la plataforma Arduino, como resultado del análisis obtenido en el Capítulo I que cumple con las características requeridas como son de bajo costo y facilidad al momento de su integración. •. Arduino Nano. Es una tarjeta pequeña, completa y fácil de usar como se aprecia en la figura 5-2, basada en el Microcontroldor ATmega328. Posee una funcionalidad similar a la del Arduino UNO, pero en tamaño reducido. Para poder programarla necesita un cable USB (Arduino, 2018b).. Figura 5-2: Arduino Nano Realizado por: CALDERÓN, Mariana, 2019. En la tabla 1-2 se visualiza un resumen de las especificaciones técnicas que presenta la tarjeta de desarrollo (Roboromania, 2017, p. 2).. Tabla 1-2: Especificaciones técnicas del Arduino Nano Especificaciones. Parámetros. Microcontrolador. Atmel ATmega168/ATmega328. Voltaje de operación. 5V. Consumo de energía. 40 mA. EEPROM. 1 KB. Velocidad de reloj. 16 MHz. Corriente DC por terminal de E/S. 40 mA. Memoria Flash. 32 KB. Realizado por: CALDERÓN, Mariana, 2019. 26.

(42) •. Arduino Uno. Es una placa de microcontrolador basada en ATmega328 como se muestra en la figura 6-2. Consta de 14 terminales de entradas / salidas digitales (de los cuales 6 pueden ser usados como salidas PWM), 6 terminales analógicas de entrada, incluye resonador cerámico 16 MHz, conexión USB, conector de alimentación y botón de reinicio. Está compuesto de todo lo necesario para que el microcontrolador funcione, sólo se necesita conectarle a la corriente (Arduino, 2018a).. Figura 6-2: Arduino Uno Realizado por: CALDERÓN, Mariana, 2019. La tabla 2-2 presenta varias especificaciones técnicas de la tarjeta de desarrollo (Arduino, 2018, p. 2).. Tabla 2-2: Especificaciones técnicas del Arduino Uno Especificaciones. Parámetros. Microcontrolador. ATmega328. Voltaje de funcionamiento. 5V. Corriente DC por terminal de E / S. 40 mA. Corriente DC para 3.3V. 50 mA. Velocidad de reloj. 16 MHz. EEPROM. 1 KB. Memoria flash. 32 KB. Realizado por: CALDERÓN, Mariana, 2019. 27.

(43) 2.5.2. Módulo Bluetooth HC-05. El módulo bluetooth que se aprecia en la figura 7-2 puede ser configurado mediante comandos AT para trabajar como esclavo o maestro. Si hablamos del modo maestro permite conectarse con diferentes módulos bluetooth, mientras que el modo esclavo está programado para escuchar peticiones de conexión (Electronilab, 2018). Presenta una conexión inalámbrica sencilla de utilizar y fiable. Su alimentación está en un rango de 3.3V – 6V, tomando en cuenta que los pines de transmisión y recepción utilizan una alimentación de 3.3V, por lo que resulta erróneo conectar directamente a 5V (Electrónica Embajadores, 2018).. Figura 7-2: Módulo bluetooth HC-05 Realizado por: CALDERÓN, Mariana, 2019. En la tabla 3-2 se observa las características principales del módulo bluetooth (Electronica60norte, 2017, p. 2) (Componentes101, 2018).. Tabla 3-2: Especificaciones importantes del Módulo bluetooth HC-05 Especificaciones. Parámetros. Protocolo. v1.1 / 2.0. Frecuencia. banda ISM de 2,4 GHz.. Modulación. GFSK. Corriente de operación. < 40 mA. Corriente modo sleep. < 1mA. Voltaje de alimentación. 3.3VDC – 6VDC.. Voltaje de operación. 3.3VDC. Baud rate por defecto. 9600. Realizado por: CALDERÓN, Mariana, 2019. 28.

(44) 2.5.3. Sensor Ultrasónico HC-SR04. Es un sensor de distancia de bajo costo, bajo consumo y gran precisión, se puede presenciar en la figura 8-2. Funciona mediante ultrasonidos, capaz de detectar objetos y por ende medir su distancia en un rango de 2cm – 400cm. Básicamente contiene dos transductores: emisor y receptor piezoeléctricos (Electronilab, 2015). Su funcionamiento se lo puede encontrar en (Naylamp Mechatronics, 2016).. Figura 8-2: Sensor Ultrasónico HC-SR04 Realizado por: CALDERÓN, Mariana, 2019. La tabla 4-2 presenta un resumen de las especificaciones técnicas que posee un sensor ultrasónico (ELEC Freaks, 2018, p. 1).. Tabla 4-2: Especificaciones técnicas del sensor Ultrasónico HC-SR04 Especificaciones. Parámetros. Voltaje de operación. 5V. Corriente de trabajo. 15 mA. Corriente en modo sleep. < 2 mA. Rango de operación. 2cm – 400cm. Frecuencia. 40Hz. Ángulo de medición. 15 grados máx. Tiempo de espera entre una medida e inicio de otra. 20ms. Duración mínima del pulso de disparo (TTL). 10µs. Duración del pulso ECO de salida (TTL). 100µs - 25000µs. Realizado por: CALDERÓN, Mariana, 2019. 29.

(45) 2.5.4. Módulo de Radiofrecuencia 433 MHz. Resultan de gran utilidad y muy comunes debido a que presentan un bajo costo y son muy fáciles de usar; Para su uso vienen en pareja como se observa en la figura 9-2, es decir, un emisor y un receptor. Tiene una comunicación simple, que se refiere a que los datos viajan en un solo canal y por ende en una sola dirección. A pesar de que tienen una velocidad de transmisión resultan muy útiles el momento de usarlos (Naylamp Mechatronics, 2016a).. Figura 9-2: Módulos de Radiofrecuencia 433 Mhz Realizado por: CALDERÓN, Mariana, 2019. En la tabla 5-2 se tiene las especificaciones técnicas en forma resumida del módulo (Robodacta, 2015, p. 1) .. Tabla 5-2: Especificaciones técnicas del módulo de RF 433 MHz Especificaciones. Parámetros TX. RX. Voltaje de operación. 3.5V – 12V. 5V DC. Corriente de trabajo. 40 mA máx.. 4 mA. Frecuencia. 433 MHz. 433 MHz. Modulación. ASK / OOK. ASK / OOK. Alcance. 20 m – 200 m. -. Potencia TX. 10 Mw. -. Sensibilidad RX. -. -105 dB. Antena. No incluye, recomendado. No incluye, alambre de. alambre de cobre 25 cm. cobre 25 cm – 32 cm. Realizado por: CALDERÓN, Mariana, 2019. 30.